专利名称：一种适用于具有时效硬化特性镁合金的热处理方法
技术领域：
本发明涉及金属热处理领域，特别涉及一种镁合金热处理方法。
背景技术：
固溶强化，细晶强化和时效析出强化是镁合金三种主要的强化方式。而在这三种主要的强化方式中，时效析出强化作用尤其显著。镁合金最终的力学性能与合金的热处理工艺密切相关。近年来，针对不同类镁合金，不同类型的热处理工艺相继开发。如分级固溶、双重时效、震动热处理和应变热处理等相继出现。概括起来，上述所有热处理工艺的目的就是增加时效析出强化相的体积分数，优化析出相的形貌。合金的固溶处理的目的就是将合金化元素在凝固过程中生成的金属化合物等尽可能分散到合金基体中，形成过饱和的固溶体。而时效的目的就是将已经溶解到合金中的过饱和溶质再逐步析出。合金的热处理的最佳方式为固溶过程尽可能增加合金元素的过饱和度，时效过程尽可能增加析出相分数。
在镁合金中，合金化元素的扩散和合金相的分解-生成过程属于典型的固态相变，因此固溶和时效处理时需要保持较长的时间。尤其近年来较广泛深入研究的高性能镁合金一般采用固溶加时效(T6处理)的方式处理，可以得到较高的力学性能。但是，这种传统T6热处理方法有如下不足1、由于合金化元素的原子半径太大，扩散速度慢，因此，时效的时候一般将温度设置在180°C以上，而低于180°C时由于时间过长，很难观察到时效强化现象；2、由于时效的温度较高，溶质的过饱和程度降低，因此，析出强化相的体积分数降低，强化效果减弱；3、由于镁是六方结构，因此，时效过程中多数共格或半共格析出相是针状相或者片状的，很难得到球形的强化相，使得合金的塑性明显降低；4、传统时效的过程温度过高，时间过长，费时、耗能。针对上述不足，发明了适用于镁稀土合金的分段振荡热处理工艺(ZL200610131692. 9)，效果强化效果明显，析出相明显分散，力学性能显著提高，但是时效过程分为多段进行，过于繁琐，很难控制，而且析出相的形貌和传统的析出相相同，具有择优生长取向，合金延塑性降低。随后发展了应变热处理工艺(ZL201110419657. 8)，这种工艺的特点就是在外加应变场的作用下，可以极大消除析出相的相增长各向异性，生成均匀的球形强化相，在提高合金强度的同时，减少析出粒子的尖端应力效应，使得合金具有较高的塑性。但是，这种热处理方法固溶温度一定，固溶的合金化元素一定，而且时效的温度基本不变，可以析出的强化相的体积分数恒定，因此强化效果有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单、条件可控、节约能源的适合于具有时效硬化特性的镁合金热处理方法。本发明中具有时效硬化特性的镁合金是Mg-xM-0. 6Zr-0. 2Mn基合金，M包括Sn，Pb, Zn和稀土；其中稀土主要包括Sm，Nd，Er和Lu两种或者多种组合，x为5_20 wt %，多种稀土元素组成时，各个稀土元素的含量相同。本发明的技术方案如下
在等压外场下O. 5-lGPa，0. 7-0. 85Tm (Tm :合金熔点)高温固溶，固溶时间为2-4小时，处理后卸除压力，直接用60-80°C热水冷却，然后在外应力30-50MPa和脉冲电场下1_10kV/cm，室温时效，时效时间为1-5万个脉冲时，脉冲间隔为I秒，即可达到峰值硬度，获得最高力学性能。本发明与现有技术相比具有如下优点
I、操作工艺简单，处理条件容易控制，节约能源，时效时间短，时效温度低，能耗少。2、通过高压下增加合金化元素在镁中的固溶度的方法，进一步提高合金化元素在镁基体中的过饱和度。
3、在外加应力场下，生成球状析出相，时效过程在室温下进行，可以大大降低合金化元素在常压室温下的固溶度，从而提高强化相的体积析出分数。4、通过外加脉冲电场提高析出动能，和普通的升高温度相比，不仅可以防止合金氧化，同时还可以实现析出相的取向控制。5、和传统的T6处理相比，经过本发明处理的合金的硬度、抗拉强度和延伸率都明显提高，硬度提高25%以上，屈服强度和断裂强度提高20%以上，延伸率提高约80%以上。
图I是Mg-5Zn-0. 6Zr-0. 2Mn合金用传统固溶加时效T6处理与实施例I中处理后的硬化曲线图。图2是Mg-lOSn-O. 6Zr_0. 2Mn合金用传统固溶加时效T6处理与实施例2中处理后的合金电镜图。图3是Mg-16Pb-2Sm-2Nd-0· 6Zr-0. 2Mn合金用传统固溶加时效T6处理与实施例3中处理后的X射线图。图4是Mg-5Sm-5Er-5Lu-0. 6Zr_0. 2Mn合金用传统固溶加时效T6处理与实施例4中处理后在室温的拉伸曲线图。
具体实施例方式 实施例I
取Mg-5Zn-0. 6Zr-0. 2Mn (wt. %，质量百分数)合金，在等压外场O. 5GPa下，O. 85Tm(520 °C)固溶，固溶时间为2小时，处理后卸除压力，直接用60°C热水冷却，然后在外应力30MPa和脉冲电场lkV/cm下，室温时效，时效时间为5万个脉冲时，脉冲间隔为I秒，即可达到峰值硬度，获得最高力学性能，最高的维氏硬度达到125 HV (载荷50 g，承载时间15s)。用传统的T6 (固溶加时效)对上述合金进行处理，固溶温度为520°C，固溶时间为8小时，时效温度为200 °C，时效时间为24小时，处理后的最大硬度为95 HV (载荷50 g，承载时间15s)。如图I所示，本实施例低温脉冲处理过的Mg-5Zn-0. 6Zr_0. 2Mn合金比用传统的T6理过的Mg-5Zn-0. 6Zr-0. 2Mn合金的硬度提高32%。实施例2取Mg-lOSn-O. 6Zr-0. 2Mn (wt. %，质量百分数)合金，在等压外场IGPa下，O. 7Tm (310°C)固溶，固溶时间为4小时，处理后卸除压力，直接用80°C热水冷却，然后在外应力50MPa和脉冲电场10 kV/cm下，室温时效，时效时间为I万个脉冲时，脉冲间隔为I秒，即可达到峰值硬度，获得最高力学性能，最高的维氏硬度为93HV (载荷50g，承载时间15s)。用传统的T6 (固溶加时效)对上述合金进行处理，固溶温度为310°C，固溶时间为8小时，时效温度为180 °C，时效时间为48小时，最大硬度为82 HV (载荷50 g，承载时间15s)。如图2所示，T6固溶处理后的Mg-lOSn-O. 6Zr-0.2Mn合金中还有大量的方形的粒子，由于粒子的熔点高，普通的固溶处理很难消除，相反，本实施例低温脉冲处理后的Mg-lOSn-O. 6Zr-0. 2Mn合金，第二相分数明显下降，合金化元素在镁基体中的固溶度增加，不稳定相完全分散，进一步提高合金的过饱和度。实施例3取 Mg-16Pb-2Sm-2Nd-0. 6Zr-0. 2Mn(wt. %，质量百分数)合金，在等压外场 O. 75GPa 下，
O.8Tm (525 °C)固溶，固溶时间为3小时，处理后卸除压力，直接用70°C热水冷却，然后在外应力40MPa和脉冲电场8 kV/cm下，室温时效，时效时间为3万个脉冲时，脉冲间隔为I秒，即可达到峰值硬度，获得最高力学性能，最高的维氏硬度为118HV (载荷50 g，承载时间 15s)。用传统的T6 (固溶加时效)对上述合金进行处理，固溶温度为525°C，固溶时间为24小时，时效温度为210 °C，时效时间为36小时，最大硬度为96 HV (载荷50 g，承载时间 15s)。如图3所示，和传统的T6处理方式相比较，本实施例低温脉冲处理后Mg-16Pb-2Sm-2Nd-0. 6Zr_0. 2Mn合金的析出相组成完全一样，没有新相生成，硬度的提高完全是由于析出相的体积分数增加而提高的。实施例4
取Mg-5Sm-5Er-5Lu-0. 6Zr_0. 2Mn (wt. %，质量百分数)合金，在等压外场O. 8 GPa下，
O.82Tm (530 °C )固溶，固溶时间为2. 5小时，处理后卸除压力，直接用80°C热水冷却，然后在外应力30 MPa和脉冲电场5 kV/cm下，室温时效，时效时间为2万个脉冲时，脉冲间隔为I秒，即可达到峰值硬度，获得最高力学性能，最高的维氏硬度为175 HV (载荷50 g，承载时间15s)。用传统的T6 (固溶加时效)对上述合金进行处理，固溶温度为530°C，固溶时间为10小时，时效温度为225 °C，时效时间为48小时，最大硬度为129 HV (载荷50 g，承载时间 15s)。如图4所示，和传统的T6处理相比，本实施例低温脉冲处理后的Mg-5Sm-5Er-5Lu-0. 6Zr_0. 2Mn合金的抗拉强度和延伸率都明显提高，屈服强度和断裂强度提高约22%，延伸率提高约80%以上。
权利要求
1. 一种适用于具有时效硬化特性镁合金的热处理方法，所述具有时效强化特性的镁合金，是指Mg-xM-O. 6Zr-0. 2Mn基合金，M包括Sn，Pb, Zn和稀土；其中稀土主要包括Sm，Nd，Er和Lu两种或者多种组合，X为5-20 wt %，多种稀土元素组成时，各个稀土元素的含量相同，其特征在于将上述镁合金在等压外场O. 5-lGPa下，O. 7-0. 85Tm高温固溶，固溶时间为2-4小时，处理后卸除压力，直接用60-80°C热水冷却，然后在外应力30-50MPa和脉冲电场1-10 kV/cm下，室温时效，时效时间为1-5万个脉冲时，脉冲间隔为I秒，即可达到峰值硬度。
全文摘要
一种适用于具有时效硬化特性镁合金的热处理方法，所述具有时效强化特性的镁合金，是指Mg-xM-0.6Zr-0.2Mn基合金，M包括Sn,Pb,Zn和稀土,x为5-20wt%，多种稀土元素组成时，各个稀土元素的含量相同。将上述镁合金在等压外场0.5-1GPa下，0.7-0.85Tm(Tm合金熔点)高温固溶，固溶时间为2-4小时，处理后卸除压力，直接用60-80℃热水冷却，然后在外应力30-50MPa和脉冲电场1-10kV/cm下，室温时效，时效时间为1-5万个脉冲时，脉冲间隔为1秒，即可达到峰值硬度。本发明具有操作工艺简单，时效时间短，时效温度低，能耗少等优点。
文档编号C22F1/06GK102877014SQ20121033804
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者彭秋明, 田永君 申请人:燕山大学